深水钻井防喷器系统关键设备技术研究.pdf

２ ０ １ ４年 第４ ３卷 第１ ２期 第９ ５页 石 油 矿 场 机 械 犗 犐 犔 犉 犐 犈 犔 犇 犈 犙 犝 犐 犘犕犈 犖 犜 ２ ０ １ ４，４ ３（１ ２） ９ ５  ９ ８ 文章编号 １ ０ ０ １  ３ ４ ８ ２（２ ０ １ ４）１ ２  ０ ０ ９ ５  ０ ４ 深水钻井防喷器系统关键设备技术研究 任钢峰１， ２， 王定亚１，２， 毋永锋１， 牛 敏１， 李毅平１， 辛小刚１ （１．宝鸡石油机械有限责任公司， 陕西 宝鸡７ ２ １ ０ ０ ２； ２．国家油气钻井装备工程技术研究中心， 陕西 宝鸡７ ２ １ ０ ０ ２） 摘要 深水钻井防喷器系统在保障海上油气作业安全， 保护海洋环境和人身安全中起着关键作用。 目前， 国内深水钻井防喷器系统研制正在起步阶段， 为了能提高国产深水钻井防喷器系统关键设备 技术水平， 在介绍深水钻井防喷器系统中关键设备的国内外技术现状基础上， 重点对典型深水防喷 器系统中深水Ｂ Ｏ Ｐ组和控制单元的关键设备进行了研究。分析了深水防喷器系统中其关键设备 的主要特征， 并对其组成和功能进行了说明。结合国内实际情况， 提出了深水钻井防喷器系统研究 建议。 关键词 深水； 防喷器； 关键技术； 水下控制器 中图分类号Ｔ Ｅ ９ ５ １ 文献标识码Ａ 犱 狅 犻 １ ０． ３ ９ ６ ９／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ １  ３ ４ ８ ２． ２ ０ １ ４． １ ２． ０ ２ ２ 犚 犲 狊 犲 犪 狉 犮 犺狅 狀犓 犲 狔犈 狇 狌 犻 狆 犿 犲 狀 狋 狊狅 犳犇 犲 犲 狆 狑 犪 狋 犲 狉犇 狉 犻 犾 犾 犻 狀 犵犅 犗 犘犛 狔 狊 狋 犲 犿 Ｒ Ｅ ＮＧ ａ ｎ ｇ  ｆ ｅ ｎ ｇ １，２， ＷＡＮＧＤ ｉ ｎ ｇ  ｙ ａ １，２， ＷＵ Ｙ ｏ ｎ ｇ  ｆ ｅ ｎ ｇ １， Ｎ Ｉ Ｕ Ｍ ｉ ｎ ｇ １， Ｌ ＩＹ ｉ  ｐ ｉ ｎ ｇ １， Ｘ Ｉ ＮＧＸ ｉ ａ ｏ  ｇ ａ ｎ ｇ １ （１．犅 犪 狅 犼 犻犗 犻 犾 犳 犻 犲 犾 犱犕 犪 犮 犺 犻 狀 犲 狉 狔犆 狅．，犔 狋 犱．，犅 犪 狅 犼 犻７ ２ １ ０ ０ ２，犆 犺 犻 狀 犪； ２．犖 犪 狋 犻 狅 狀 犪 犾犗 犻 犾牔 犌 犪 狊犇 狉 犻 犾 犾 犻 狀 犵犈 狇 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作者简介 任钢峰（１ ９ ７ ８ ） ， 男， 陕西富平人， 工程师，２ ０ ０ ３年毕业于西安理工大学， 主要从事石油钻井机械研究，Ｅ  ｍ ａ ｉ ｌ ｒ ｇ ｆ ９ ０ ０ ０ １＠１ ２ ６． ｃ ｏ ｍ． 备进行分析和改进， 已取得了一些进展。 我国石油开发的主战场已经逐渐转向深海。深 海钻井防喷器系统作为海洋油气开发的关键装备之 一， 需求越来越大。目前， 国内平台所配套的深水钻 井防喷器系统全为国外公司所掌控， 严重制约了我 国海洋油气资源的开发。因此， 深入研究水下防喷 器系统关键设备技术并合理选择其系统配套方式对 于国内深水防喷器系统建造很有意义。 １ 深水钻井防喷器系统技术现状 钻井防喷器从简单到复杂， 从陆地到海洋， 从浅 海到深海已经历了上百年的发展过程。当前， 就钻 井防喷器技术而言， 具备陆地和浅海等技术开发能 力的国家和单位较多， 但具备深水、 特别是深水水下 井口井控设备开发能力的企业却为数甚少。截止目 前， 完全具备性能可靠、 配套齐全的深水防喷器开发 制造能力的供应商主要包括ＮＯＶ、Ｃ ＡＭＥ Ｒ ＯＮ和 Ｇ Ｅ等几家公司， 且长期以来在世界上处于垄断地 位。我国自２ ０世纪６ ０～７ ０年代开始陆地井口井控 装备研制工作， 发展规模较大的企业主要包括宝石 机械公司、 华北荣盛公司、 上海神开公司等几家单 位。近１ ０多年来， 围绕海洋技术领域， 我国先后在 固定式、 自升式等平台开发配套了部分井口井控装 备， 但也仅限于平台台面， 仍未涉足水下。直到“ 十 一五” 以来， 由于我国加大了深水海洋油气资源的开 发投资力度， 国内宝石机械公司、 华北荣盛公司及有 关高等院校等才开始着手水下井口井控装备的研究 工作， 并开发试制了水下井口装置、 水下防喷器等部 分单元装备， 但由于多方面条件限制， 至今还未能投 入工业性试验。 深水钻井防喷器系统主要包括防喷器组和控制 单元， 国外深水钻井防喷器系统的设计制造都采用 美标， 同样国内深水钻井防喷器系统设计制造也采 用美标［ １］， 主要包括 Ａ Ｐ Ｉ６ Ａ／Ｉ Ｓ Ｏ１ ０ ４ ２ ３２ ０ ０ ３井 口装 置 和 采 油 树 设 备 规 范；Ａ Ｐ Ｉ１ ６系 列 标 准， Ａ Ｓ ＭＥ第８卷第１和２分册 锅炉和压力容器规范； ＮＡ Ｃ Ｅ  ＭＲ ０ １ ７ ５／Ｉ Ｓ Ｏ１ ５ １ ５ ６石油和天然气工业－ 石油和天然气生产中含硫化氢（Ｈ２Ｓ） 环境下使用的 材料； Ｉ Ｅ Ｃ国际电工委员会标准及近２ａ来美国政 府新提出的水下防喷器组设计新要求等。 ２ 深水钻井防喷器组组成及功能 深水防喷器组体积庞大、 质量较重、 结构复杂。 如图１所示为典型深水钻井防喷器组的主体结构， 通常由下部隔水管总成（ＬＭＲ Ｐ系统） 、 中间连接 器、 下部防喷器组及防喷器组合框架等几大部分组 成。下部隔水管总成的功能主要用来连接上部钻井 隔水管和下部防喷器组， 下部隔水管总成内部主要 设备包括挠性接头和２套环形防喷器， 挠性接头主 要用于改善和减轻隔水管串受海流作用时附加给水 下防喷器等的侧向弯扭应力， 并保证防喷器、 隔水管 等在平台偏移情况下设备的有效连接； ２套环形防 喷器， 即 上部环形防喷器和下部环形防喷器用于过 钻杆、 套管接箍时井口环空的封闭， 与陆地防喷器组 配套环形防喷器方式相比较， 水下防喷器之所以配 套２组环形防喷器的主要目的是为了安全可靠。中 间连接器用于下部隔水管总成与下部防喷器组之间 的连接， 并保证紧急情况下下部隔水管总成可以随 钻井隔水管的安全撤离。下部防喷器组上连中间连 接器， 下连水下井口连接器， 中间是闸板防喷器组， 主要用途是如遇井喷或其他紧急事件时可及时剪断 钻杆（ 或套管） 并封闭井口， 该部分典型结构主要包 括３个双闸板防喷器［ ２  ３］， 即上部闸板防喷器、 中部 闸板防喷器和下部闸板防喷器， ３套双闸板防喷器 共形成六个闸板腔； ６个闸板腔中从上到下分别安 装１个套管剪切闸板， １个钻杆剪切闸板，１个１ ２ ７ ｍｍ（５英寸） 管子闸板，２个变径闸板（ 或１个１ ２ ７ ｍｍ（５英寸） 管子闸板和１个变径闸板） 和１个测试 闸板。防喷器组合框架分上、 下２体， 主要用于防喷 器组的整体安装吊装及管线、Ｒ ＯＶ操作面板等辅助 系统的安装。 图１ 深水防喷器组单元 对于目前国内配套的水下防喷器组， 基本配置 能满足功能要求， 但配套时往往忽视防喷器组和阀 ６９ 石 油 矿 场 机 械 ２ ０ １ ４年１ ２月  等设备通道中堆焊的材料， 材料应防Ｈ２Ｓ和Ｃ Ｏ ２腐 蚀， 目前美国几家公司堆焊的通道材料可以防Ｈ２Ｓ 的体积分数达到２ ５％，Ｃ Ｏ ２ 的体积分数可以达到 １ ５％。配套防喷器组时还要考虑Ｈ２Ｓ和Ｃ Ｏ２对橡 胶材料的影响， 海水对水下防喷器组的腐蚀影响。 国内生产的防喷器组和阀等设备， 通道堆焊防高体积 分数Ｈ ２Ｓ的材料技术还不成熟， 还需进一步研究。 ３ 深水钻井防喷器控制系统组成及功能 ［４  ６］ 深水钻井防喷器控制系统是具有集电液气一体 化设计功能的多项控制技术的组合， 不仅控制点多、 系统构成复杂， 而且要求系统可靠性高、 控制元件灵 敏快捷， 如图２所示。水下防喷器控制系统从位置 上分为水上控制设备和水下控制设备， 水上控制设 备主要包括１套液压动力单元（Ｈ Ｐ Ｕ） 、 １套远程控 制设备、 不间断动力供给单元（Ｕ Ｐ Ｓ） 、 ２套动力和通 信分配柜、 ２台脐带缆盘管装置及脐带缆、１台管线 盘管装置、 １套水上测试系统等。水下控制设备主 要包括２套水下控制器（Ｐ Ｏ Ｄ） 、 １套水下储能器、１ 套液压紧急恢复系统、 １套声控两位辅助系统。 图２ 深水钻井防喷器控制系统构成框图 ３． １ 水上控制设备单元 水上控制设备中的液压动力单元（Ｈ Ｐ Ｕ） 用于 操作水下防喷器组和ＬＭＲ Ｐ， 主要包括液压动力包 （ＨＰ Ｐ） 、 储能器、 电机驱动液压泵系统、 液体过滤系 统、 流量计、 阀总成、Ｈ Ｐ Ｕ控制系统、 分流器控制系 统、 已二醇和润滑混合系统、 混合单元控制面板。对 于深水使用的液压动力单元， 系统液体压力一般为 ３ ５ＭＰ ａ（５０ ０ ０ｐ ｓ ｉ） ， 液体的容积、 泵和阀等选取满 足Ａ Ｐ Ｉ １ ６ Ｄ的 规 范 要 求， 但 实 际 上 选 取 已 超 越 Ａ Ｐ Ｉ １ ６ Ｄ的规范。同时所使用的控制液也有较严格 的规范。 水上控制设备中的远控设备包括电控钻井控制 面板， 推压式操作控制面板， 中心控制台（Ｃ Ｃ Ｃ） 和工 程工作站（ＥＷＳ） 。电控钻井控制面板放置在钻井 司钻房中， 由司钻来控制。推压式操作控制面板安 装在平台（ 或船） 的办公室中心安全区域， 一般用于 紧急操作。中心控制台安装在１个定制台上， 放在 温度可控的安全区域内， 中心控制系统主要提供模 块冗余信息通信平台， 以控制和监视海下控制器， 这 个系统使用１个主底盘， 包含２个主处理器、 双动力 源供给、 信息通信模块、 模拟器和数据Ｉ／Ｏ模块。 工程工作站和中心控制台放在同一位置， 主要为防 喷器组位置和报警／故障记录功能提供操作接口。 不间断动力供给单元（Ｕ Ｐ Ｓ） 提供电动力满足所 有电控单元设备， 在总电力系统故障下， 不间断动力 供给单元必须延续保证２ｈ使用（Ａ Ｐ Ｉ规范要求） ， 通过多相电缆连接到动力和通信分配柜， 动力和通 信分配柜由Ａ柜和Ｂ柜组成， ２台柜分别分配不间 断动力供给单元提供的电动力到水下装备， 动力和 通信分配柜中的通信板分配通信信号到每台水下控 制器， 在控制中动力和通信分配柜、 不间断动力供给 单元和脐带缆３者结合， 能很好地完成系统中的动 力和通信分配。 ２台脐带缆盘管装置及脐带缆， 脐带缆盘管装 置用于缠绕和自张紧脐带缆， 采用气动马达驱动， 脐 带缆用于传输介质， 传输动力和通信信息。１台管 线盘管装置用于缠绕和自张紧为水下提供液相的软 性管， 也是采用气动马达驱动， 并带有盘刹和手动超 载制止自动刹车系统。 水上测试系统包括１套Ｐ Ｏ Ｄ测试装置， 高压测 试单元和防喷器测试箱。Ｐ Ｏ Ｄ测试装置提供了机 械、 液压、 电子、 通信和操作接口到水下控制器， 提供 了测试阀和测试仪器等， 测试装置对环境要求高， 安 装设计在１安全区域位置， 并且适合在Ｉ Ｐ  ５ ５环境 中。高压测试单元要求最大测试压力在１ ４ ０ ＭＰ ａ 以上， 带有远距离控制台， 组成包括三缸泵、 水醇液 储存器、 防爆电机启动器、 图表记录、 高压阀、 量程压 力表、 交换器等。控制系统中还包括轮式电缆滑轮、 软管滑轮、 软管管夹、 液相供给软管、Ｈ ｏ ｔ管汇、 隔水 管斜度传感器、 储能器填充工具等装置和其他辅助 工具等。 ３． ２ 水下控制设备单元 水下控制设备中的水下控制器（Ｐ Ｏ Ｄ） 单元是 防喷器水下控制核心， 由２套Ｐ Ｏ Ｄ（ 黄色和蓝色） 组 成， 安装在ＬＭＲ Ｐ上， 每套Ｐ Ｏ Ｄ独立操作， 一用一 ７９ 第４ ３卷 第１ ２期 任钢峰， 等 深水钻井防喷器系统关键设备技术研究  备， 也有公司为水上备１套Ｐ Ｏ Ｄ， 单个Ｐ Ｏ Ｄ如图３ 所示， 每套Ｐ Ｏ Ｄ控制对象达到１ ２ ０多个。Ｐ Ｏ Ｄ构 造需满足高可靠性、 易服务和易维护， 它包括水下电 子仪器总成（ Ｓ Ｅ Ａ） 、 电液控制总成（Ｅ  Ｈ） 和液控总 成３部分。例如Ｃ ＡＭＥ Ｒ ＯＮ水下控制器（Ｐ Ｏ Ｄ） ， 它由多相控制单元（ＭＵＸ） 和模块控制器（ＭＯ Ｄ） 组 成， 两者之间互相连接形成１个系统去控制水下防 喷器各项功能，ＭＵＸ包括水下电模块（ Ｓ ＥＭ） 、 电磁 阀模块、 传感器模块和封闭电池模块，ＭＯ Ｄ包括了 各种阀、 调节器、 液压部件和接口部件等， 水下储能 器为ＭＯ Ｄ压力调节阀提供导向压力［ ６］。 ａ ＨＹ Ｄ Ｒ Ｉ Ｌ公司水下Ｂ Ｏ Ｐ控制器 ｂ Ｏ Ｃ Ｅ ＡＮ Ｅ Ｅ Ｒ Ｉ ＮＧ公司水下Ｂ Ｏ Ｐ控制器 图３ ２种水下防喷器控制器（Ｐ Ｏ Ｄ） 水下控制设备中的液压紧急恢复系统（ＥＨ  Ｂ Ｓ） ， 平常称为１个休克系统， 是１个独立的液压控 制器， 固定在防喷器组上， 如果防喷器组控制系统故 障、 脐带缆断开或是其他突发事件， 它就自动执行开 关功能， 液压紧急恢复系统自带液动力， 来自固定在 防喷器组上的恢复系统储能器和剪切储能器， 液压 紧急恢复系统操作由储能器提供导向信号压力， 剪 切操作动力由剪切储能器提供， 此系统属于备用， 一 般在工作中不使用， 但必须在安装前做试验。 水下储能器是一种动力源， 其设计配套很关键， 墨西哥湾井喷事故后， 专家分析， 其中１个原因就是 水下储能器设计和配套不合理， 目前Ｃ ＡＭＥ Ｒ ＯＮ 公司正在和储能器厂家合作改进水下储能器结构， 此设计的水下储能器充分利用水下压力， 能够提供 足够大的能量， 满足控制系统需求， 产品正在试验中。 声控两位备用系统既属于水上设备， 也属于水 下设备， 它为水下防喷器组提供了特定关闭功能， 系 统由水上和水下２部分组成， 水上是发射指令设备， 水下是接受指令和执行设备。目前所有深水防喷器 系统都是采用Ｋ ｏ ｎ ｇ ｓ ｂ ｅ ｒ ｇＡ Ｃ Ｓ系统， 一般对深水 Ｂ Ｏ Ｐ组功能的控制对象是由客户认可。 ４ 结论 １） 深水钻井防喷器系统关系到海洋钻井的安 全， 技术要求更高。对于其中的防喷器组， 应选择更 为先进的闸板防喷器， 要求更加安全可靠。目前陆 地上新的闸板防喷器结构比较多， 但要用于深水， 必 须选择通过深水试验验证过的防喷器， 并且要选择 合适的防喷器通道材料。 ２） 对于深水钻井防喷器系统中的控制单元， 采用模块化集成， 要求有高度冗余。对于整个控制 系统要全面分析， 并且要进行风险评估， 制定多种应 急预案。 ３） 现国内已具有设计制造深水防喷器组和控 制系统的能力， 但还没有把整个防喷器系统集成为 安全可靠的产品。建议国内的研究单位大力开展深 水防喷器组和控制系统及整体系统结构研究， 包括 理论分析与研究、 标准的统一制定， 现场系统配置反 馈信息的收集、 整理等。 参考文献 ［１］ Ａ Ｐ Ｉ６ Ａ，Ｓ Ｐ Ｅ Ｃ Ｉ Ｆ Ｉ Ｃ Ａ Ｔ Ｉ ＯＮ Ｆ Ｏ Ｒ ＷＥ Ｌ ＬＨＥ Ｄ ＡＮ Ｄ ＣＨＲ Ｉ Ｓ ＴＭＡ ＳＴ Ｒ Ｅ ＥＥ ＱＵ Ｉ ＰＭＥ Ｎ Ｔ［Ｓ］． ２ ０ ０ ４． ［２］ 王存新．深水钻井水下防喷器组配置选型研究［Ｊ］．石 油矿场机械， ２ ０ ０ ９，３ ８（２） ７ ２  ７ ５． ［３］ Ｓ ｈ ａ ｕ ｇ ｈ ｎ ｅ ｓ ｓ ｙＪＭ，Ａ ｒ ｍ ａ ｇ ｏ ｓ ｔＷ Ｋ． Ｐ ｒ ｏ ｂ ｌ ｅ ｍ ｓｏ ｆＵ ｌ ｔ ｒ ａ  ｄ ｅ ｅ ｐ ｗ ａ ｔ ｅ ｒＤ ｒ ｉ ｌ ｌ ｉ ｎ ｇ［Ｒ］． Ｓ Ｐ Ｅ ５ ２ ７ ８ ２，１ ９ ９ ９． ［４］ 苏山林．防喷器控制系统发展趋势的探讨［Ｊ］．胜利油 田职工大学学报， ２ ０ ０ ５，１ ９（３） ４ ５  ４ ６． ［５］ Ｊ ｅ ｒ ｒ ｙＴ ｏ ｍ ｌ ｉ ｎ ． Ｂ ｌ ｏ ｗ ｏ ｕ ｔＰ ｒ ｅ ｖ ｅ ｎ ｔ ｅ ｒＣ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌＳ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍＵ Ｓ， ６ ０ ３ ２ ７ ４ ２［Ｐ］． ２ ０ ０ ０  ０ ５  ０ ７． ［６］ 李博．深水防喷器组控制系统发展［Ｊ］．流体传动与控 制， ２ ０ ０ ８，２ ９（４） ３ ９  ４ １． ８９ 石 油 矿 场 机 械 ２ ０ １ ４年１ ２月 